西灣露天煤礦GPS卡車智能調度系統的應用

摘要：以陜西省榆林市榆陽區的西灣煤礦為例，在概述該露天礦場剝離工藝及采裝運輸設備現狀的基礎上，對GPS卡車智能調度系統組成、通信方式及在該露天煤礦的應用進行了分析探討。研究結果表明：露天煤礦GPS卡車智能調度系統基本適應西灣煤礦生產需要，在有效解決局部信號死角、駕駛室布線混亂、配套高精度測量儀器和傳感器支持等問題基礎上，為露天煤礦生產帶來較好的經濟效益和社會效益，并為建造高效的現代化露天煤礦奠定了基礎。

關鍵詞：西灣露天煤礦；GPS卡車智能調度系統；設計；應用

1" "應用背景

西灣煤礦位于陜西省榆林市榆陽區的東北部、神木縣的西南部，行政區劃隸屬神木縣大保當鎮和榆陽區大河塔鄉管轄。距神木縣61km，距榆林市65km，距內蒙包頭市349km，距西安市734km。露天煤礦設計生產能力1000萬t/a，服務年限58.9a，開采境界面積50.77km2，煤層埋深34～175m，平均厚度11m。

該露天煤礦煤質多為低硫、中灰、特低磷、高發熱量、高揮發分、高灰熔點的長焰煤，采用單斗卡車開采。露天礦剝離則主要通過挖掘機-卡車間斷工藝。西灣露天煤礦年土方剝離約4×107m3，巖石剝離約2×107m3，采煤約1×107t。中鐵十九局西灣煤礦項目部主要承擔采場內1160m平面以下的土方及巖石剝離作業，項目部年計劃剝離量3.9×107m3，其中土方剝離1.9×107m3，巖石剝離2×107m3。項目部現有采裝運輸設備24組，其中11組（挖掘機11臺，自卸車52臺）負責土方剝離作業，13組（挖掘機13臺，自卸車50臺）負責巖石剝離。現有作業設備可完成4×107m3/年的剝離量。

露天煤礦采掘、運輸、排土屬于復雜的系統，卡車運輸則是連接該系統的中心環節，對于煤礦開采發揮著十分關鍵的作用，其投資在礦山總投資中的占比在40%～60%之間。隨著西灣露天煤礦生產規模的不斷擴大，卡車等生產設備增多，僅依靠人工生產調度的傳統做法已無法滿足生產效率提升方面的要求。

根據實踐經驗可知，西灣露天煤礦位于多山區域，礦場開闊廣袤，移動通訊GSM網絡信號覆蓋不良[1]，為此中鐵十九局西灣煤礦項目部于2020年，引入中鐵十九局集團礦業投資有限公司北京信息分公司生產的GPS卡車調度系統。

該系統主要依托全球衛星定位技術、計算機網絡技術、無線數字通信技術、地理信息系統、礦山系統工程等，實時采集卡車動態信息，監控并優化卡車調度運行，構建起西灣露天煤礦現代化生產設備調度控制系統及全方位決策管控平臺，從而將露天煤礦運輸卡車等生產作業設備及生產道路網、設備維修管理、司機考核等分散的子系統有機整合，全部納入一個監控系統，實施綜合生產智能化調度和安全監控，充分提升卡車作業效率。并以此為基礎，將露天煤礦其余生產設備全部納入該智能調度管理系統，實現了露天煤礦生產管理模式的重大突破。

2" "GPS卡車智能調度系統分析

2.1" " 系統組成

西灣露天煤礦GPS卡車智能調度系統主要包括調度應用系統、卡車終端應用系統、無線寬帶通訊等部分。調度應用系統主要用于匯集露天煤礦生產數據，同時也是生產智能化自動調度中心和生產優化計算中心。采場調度室、中心控制單元、總控數據處理、監控顯示終端、服務器構成其系統硬件模塊，智能化自動調度、智能識別、工況實時顯示、數據庫、通訊、電子地圖編輯、web查詢管理等構成其軟件模塊。

卡車終端應用系統硬件由卡車車載計算機單元、挖掘機計算機單元、車載電源、車載顯示、配套安裝支架等部分組成。該應用系統主要具備采掘、運輸、輔運等功能，具體包括GPS定位、接收指令、工作狀態判斷、數據處理、信息緩存、無線通信、導航等。

無線寬帶通訊系統主要用于實現調度應用系統和卡車終端應用系統之間數據的實時傳輸。系統主要采用MESH無線寬帶網狀通信技術，可實現西灣露天煤礦礦區內無盲區覆蓋，支持240km/h移動設備接入，部署及增容迅速，運行靈活。

西灣露天煤礦GPS卡車智能調度系統包括二維監視、智能調度控制、報警、歷史回放、報表系統、圖表自動生成等應用子系統，其軟件體系結構具體見圖1。

其中，二維監視系統屬于露天煤礦生產GIS系統，主要通過動態圖專用模擬庫的形式，顯示露天煤礦卡車等各類作業設備運行狀態，并對設備位置、狀態、性能、運行速度、型號、運輸物料類型及質量等實時動態展示，同時能對指定設備狀態等進行實時查詢。智能調度系統主要為生產管理人員提供智能化的生產組織調度管理界面，便于生產指揮、人工指派、設備及人員管理，達到智能化生產控制。

2.2" " 通信方式

2.2.1" "無線Mesh通信組網

通信方式是露天煤礦GPS卡車智能調度系統實時處理的關鍵，西灣露天煤礦GPS卡車調度通信系統主要包括硬件和軟件兩個部分。考慮到該煤礦調度室和生產作業現場之間距離并不近，采區溝壑縱深、地形復雜，但基本開闊，無較大數目和建筑物遮擋，所需硬件通訊設備數量多，通訊任務重，故選擇無線Mesh組網方式。

該組網技術下通信設備之間均通過無線級聯，各節點連接則采用point-to-multipoint方式[2]。如此構建起各節點至少有兩條無線上聯鏈路的通信網絡，使無線傳輸服務的可靠性大大提升。

無線Mesh組網方式帶寬為54Mbps，在Turbo的運行模式下帶寬可以達到108Mbps，適用于大規模城域使用。無線Mesh系統支持多種無線覆蓋及回程組合，系統多頻率使用效率可顯著提高。

西灣露天煤礦GPS卡車智能調度系統應用無線Mesh通信組網，可自行架設基站，自建起寬帶無線數據通信網絡，并具備擴容、大數據量傳輸等功能。

無線Mesh通信組網滿足IEEE802.11標準，支持2.4GHz和5.8GHz等無線頻段和射頻技術，是當前國際前沿的組網技術和通信方式，支持無線車載臺高速移動、快速切換，并能和無線基站間無縫組網，確保數據無中斷傳輸，對于惡劣的露天采礦環境十分適用。

該通信組網特殊的多跳技術，能使系統在滿容量運行時單機臺通信速率在3.0Mpbs以上，機臺和中心通信時延在5ms以內。

2.2.2" "通信網絡設計

為將露天煤礦采場信息實時傳輸至調度室監控中心，必須在采場和監控中心之間架設一級固定通訊中繼站，同時在礦坑布置二級移動通信中繼站，使通信網絡覆蓋全部礦坑。

其中，二級中繼站和采場卡車等移動設備組成無線Mesh通信組網，二級中繼站和一級中繼站之間采用互聯中繼模式和無線智能接入點聯網。而一級中繼站和調度室監控通過無線Mesh通信組網通信，帶寬、傳輸速率及通信效率有保障。

西灣露天煤礦目前設置8個固定基站，與調度中心直接連接的固定基站為中心基站。考慮到整個礦坑通信網絡覆蓋的要求，同時為應對挖掘機移動，將礦坑內12個挖掘機全部安裝相應基站，并將挖掘機基站設定為通信終端模式，避免礦坑內挖掘機基站互相干擾。一旦某基站周圍出現通信盲區，須借助相應的管理軟件將其調整為覆蓋模式，以補償盲區。

2.3" " 車載終端

西灣露天煤礦GPS卡車智能調度系統車載終端包括車載計算機、顯示器、電源、GPS天線和支架等部分。其中車載計算機是車載終端的核心，主要承擔者數據運算、存儲、處理等功能。主機控制主板為嵌入式計算機主板，CPU運行頻率為600MHz。此外還包括一個CF卡存儲操作系統和應用程序接口，其性能穩定，工作溫度范圍寬。

車載終端顯示器除具備更為直觀的顯示效果外，還具有人機交互、亮度調節、語音播報等功能，能適應惡劣的礦場運行環境。DF-TD6823型機載顯示器性能見表1。該型號顯示器能夠顯示運行車輛調度命令、工作菜單播報、導航、車輛位置顯示等功能，抗振、抗沖擊性能良好，使用便捷。

3" "GPS卡車智能調度系統優勢與不足

3.1" " 應用優勢

西灣露天煤礦使用GPS卡車智能調度管理系統后，管理人員無需下入礦坑，僅通過調度室監控中心就能獲取卡車實時運行狀況數據，設備維修保養、卡車與挖掘機匹配、人員調度等問題得到有效解決，生產工效顯著提升。

在計算機計量模式下，卡車司機每月的工作量核算更為精準，績效考核過程更加合理。卡車與挖掘機比例完全智能化配置，待令時間縮短，設備總體運輸距離縮減，能源消耗減少，生產成本下降。

GPS卡車智能調度管理系統對車輛與具體采場和排土場，均進行合理調度安排，對于竄鏟或竄排問題，系統默認不予計量，為此操作人員出于自身任務量和業績的考慮，必將主動避免這種現象的出現。運輸卡車綜合柴油油耗對比如表2所示。

3.2" " 不足之處

根據筆者的實地調查，西灣露天煤礦GPS卡車智能調度管理系統在運行過程中仍存在一些問題，具體如下：

首先，該露天煤礦采用的是無線Mesh組網方式，但因為煤礦環境惡劣，采場位置變化頻繁，不可避免存在局部信號死角，卡車進入無信號地帶后出現數據丟失、數據交換不及時等情況，影響系統運行的可靠性。

其次，該露天煤礦卡車駕駛室中安裝的車載臺、車輛預警、倒車影像等輔助裝置較多，再安裝GPS卡車調度終端后，駕駛室內布線混亂，電磁波輻射較大，部分輔助裝置均有音頻輸出，造成信息接收混亂。

基于以上不足，需對卡車GPS智能調度管理系統和其余輔助裝置功能進行整合，簡化駕駛室內布線。西灣露天煤礦卡車燃油管理系統僅在加油車上進行了測試，但測試結果未達到預期目標。GPS卡車調度系統每一項功能，均需要相應的高精度測量儀器和傳感器支持[3]，全部高精度儀器均一步到位，對于該煤礦而言的確存在一定難度，由此導致GPS卡車調度系統的功能和效率受到一定影響。

4" "結論

綜上所述，GPS卡車智能調度系統在西灣露天煤礦中的應用，實現了卡車等生產設備的智能調度，管理人員可實時掌握設備運行狀態及生產信息，有利于降低能耗、提升工效。

應用實踐表明，露天煤礦GPS卡車智能調度系統基本適應西灣煤礦生產需要，在有效解決局部信號四角、駕駛室布線混亂、配套高精度測量儀器和傳感器支持等問題基礎上，為露天煤礦生產帶來較好的經濟效益和社會效益，并為建造高效的現代化露天煤礦奠定了基礎。

參考文獻

[1] 朱建斌.露天礦車輛監測與智能調度系統[J].電子世界，2015（23）：89-91.

[2] 朱世安.礦區車輛智能管理與調度的RFID讀寫設備系統設計[J].煤礦機械，2015，36（7）：34-36.

[3] 門濤，趙洪濤，鄒紅芳.GPS車輛智能調度報表系統在鞍千礦的應用[J].露天采礦技術，2014（3）：58-60+63.